«Быстрые» алмазы

Алмаз – это не просто драгоценный камень. Благодаря своей исключительной твердости и ряду других свойств он применяется во многих технологических сферах – от резки стекла до квантовых компьютеров. Между тем состоит алмаз из обычного углерода. Особые качества ему придает расположение атомов в кристалле. И искусственное синтезирование алмазов – задача отнюдь не простая. Тем не менее недавно группа физиков под руководством Джоди Брэдби из Австралийского национального университета нашли способ получать алмазы при комнатной температуре, причем за считанные минуты и без участия катализаторов!

Конечно, для обывателя слово «алмаз» ассоциируется в первую очередь с дорогими украшениями. Но в украшениях в виде вставок присутствуют не совсем алмазы, а бриллианты. Так называют обработанные алмазы. Привлекательными алмазы и бриллианты делает их особый блеск, который позволяет отличить настоящие камни от подделок.

«Природные алмазы обычно образуются в течение миллиардов лет на глубине около 150 километров под землей, где имеет место высокое давление и температура выше тысячи градусов по Цельсию», – комментирует Джоди Брэдби в коллективной статье по результатам исследования, опубликованной в журнале Small.

Это одна из причин, почему алмазы так редки и ценны. Прежде всего их трудно добывать. Они «водятся» только в определенных местах, и даже там, где они есть, вряд ли вы получите к ним доступ без лицензии. И наверняка вы слышали массу легенд об этих камнях, в том числе и довольно «кровавого» содержания.

Конечно, люди уже давно научились делать искусственные алмазы с точно такой же кристаллической решеткой, как и у натуральных. Несмотря на аналогичный состав, синтетические алмазы ценятся меньше. Но их тоже активно используют в украшениях и для других целей.

Хотя получить искусственный алмаз гораздо проще, чем настоящий, все равно изготовление этих «камешков» достаточно затратно, так как для этого требуются высокое давление и температура, а также очень часто в процессе необходимо использовать катализаторы. В последнее время появились лаборатории, где можно заказать памятные украшения с бриллиантами, выращенными из праха умерших родственников – ведь в его составе тоже присутствует углерод!

Процесс изготовления алмазов из пепла, полученного при кремации, проводится под высоким давлением при температуре 1500 градусов по Цельсию выше нуля. Вес «камешка» составляет от 0,4 до 1 карата, на его изготовление уходит около двух месяцев.

Кристалл огранивают, и по характеристикам он ничем не отличается от натурального бриллианта… По желанию заказчика на нем могут написать имя умершего и дату его кончины, причем метка видна только под микроскопом. Но понятно, что такой вариант подойдет далеко не всем, и он достаточно дорог.

Брэдби и ее коллеги предложили метод, который делает процесс изготовления алмазов гораздо дешевле, чем при применении традиционных способов их получения. Для этого достаточно поддержания комнатной температуры, и процедура занимает всего несколько минут. Правда, по-прежнему тут не обойтись без высокого давления. По словам авторов технологии, такое давление могли бы оказать 640 африканских слонов на кончик балетного пуанта.

В чем же тут секрет? Дело в том, что при воздействии на углерод сила давления направляется таким образом, чтобы скручивать образец. Эта деформация приводит к тому, что атомы в кристаллической решетке выстраиваются нужным образом и образуются микроскопические алмазы и лонсдейлиты.

Последние – это редко встречающиеся в природе минералы, которые иногда можно обнаружить в местах падения метеоритов. Согласно мнению некоторых экспертов чистый лонсдейлит без примесей на 58% тверже обычного алмаза, что открывает заманчивые перспективы для его промышленного применения.

Кстати, ранее, в 2014 году, специалистами из Пенсильванского университета было изобретено нановолокно, состоящее из атомов углерода и по структуре напоминающее алмаз. Алмазные нанонити являются самым прочным и жестким наноматериалом из всех, которые существуют на сегодняшний день, включая даже весьма популярные углеродные нанотрубки. При этом волокно является сверхтонким – всего три атома в поперечнике, то есть намного тоньше человеческого волоса. Не исключено, что именно на основе этих нановолокон удастся создать кабель для космического лифта.

В 2018 году Сабре Суреш из Наньянского технологического университета в Сингапуре и ее коллегам удалось вырастить алмазы, способные деформироваться, а затем обретать исходную форму.

Сначала ученые осаждали углерод из газовой фазы, затем подвергали его процессу травления, в результате которого получались крохотные алмазные иголочки диаметром в 300 нанометров, напоминающие щетину на зубной щетке. После этого, используя тонкий зонд, исследователи деформировали алмазные иглы и измеряли их упругость.

Оказалось, что одна такая иголочка может без разрыва выдержать растяжение под давлением от 89 до 98 гигапаскалей. При этом она способна растягиваться на 9% и вновь возвращаться к первоначальной форме.

Компьютерное моделирование показало, что алмазные кристаллы, полученные таким путем, не имеют изъянов кристаллической решетки, которые неизбежно возникают в более крупных образцах, причем неважно, природного или синтетического происхождения.

Такая алмазная «щетина» благодаря своим уникальным оптическим, электрическим, тепловым, магнитным и прочим свойствам может применяться, например, в медицине. Из нее можно изготавливать микроскопические зонды для исследований или применять для адресной доставки в органы и ткани лекарственных препаратов.

Ида ШАХОВСКАЯ